Biología para las Especialidades I

Describa la estructura y función de las membranas, especialmente la bicapa de fosfolípidos

En este resultado, aprenderemos sobre la estructura de las membranas.

Estructura de la Membrana celular

La membrana plasmática de una célula define el límite de la célula y determina la naturaleza de su contacto con el medio ambiente. Las células excluyen algunas sustancias, absorben otras y excretan otras, todo en cantidades controladas. Las membranas plasmáticas encierran los bordes de las células, pero en lugar de ser una bolsa estática, son dinámicas y en constante flujo. La membrana plasmática debe ser lo suficientemente flexible para permitir que ciertas células, como los glóbulos rojos y los glóbulos blancos, cambien de forma a medida que pasan a través de los capilares estrechos. Estas son las funciones más obvias de una membrana plasmática. Además, la superficie de la membrana plasmática lleva marcadores que permiten que las células se reconozcan entre sí, lo que es vital a medida que se forman los tejidos y órganos durante el desarrollo temprano, y que más tarde juega un papel en la distinción entre «uno mismo» y «no uno mismo» de la respuesta inmune.

La membrana plasmática también transporta receptores, que son sitios de unión de sustancias específicas que interactúan con la célula. Cada receptor está estructurado para unirse a una sustancia específica. Por ejemplo, los receptores superficiales de la membrana crean cambios en el interior, como cambios en las enzimas de las vías metabólicas. Estas vías metabólicas pueden ser vitales para proporcionar energía a la célula, fabricar sustancias específicas para la célula o descomponer los desechos celulares o toxinas para su eliminación. Los receptores en la superficie exterior de la membrana plasmática interactúan con hormonas o neurotransmisores, y permiten que sus mensajes se transmitan a la célula. Algunos sitios de reconocimiento son utilizados por virus como puntos de conexión. Aunque son altamente específicos, patógenos como los virus pueden evolucionar para explotar los receptores para entrar en una célula imitando la sustancia específica que el receptor está destinado a unir. Esta especificidad ayuda a explicar por qué el virus de inmunodeficiencia humana (VIH) o cualquiera de los cinco tipos de virus de la hepatitis invaden solo células específicas.

Modelo de mosaico fluido

En 1972, S. J. Singer y Garth L. Nicolson propusieron un nuevo modelo de membrana plasmática que, en comparación con la comprensión anterior, explicaba mejor las observaciones microscópicas y la función de la membrana plasmática. Esto se llamó el modelo de mosaico fluido. El modelo ha evolucionado un poco con el tiempo, pero sigue teniendo en cuenta mejor la estructura y las funciones de la membrana plasmática tal como las entendemos ahora. El modelo de mosaico fluido describe la estructura de la membrana plasmática como un mosaico de componentes, incluidos fosfolípidos, colesterol, proteínas y carbohidratos, en el que los componentes pueden fluir y cambiar de posición, manteniendo al mismo tiempo la integridad básica de la membrana. Tanto las moléculas de fosfolípidos como las proteínas incrustadas pueden difundirse rápida y lateralmente en la membrana (Figura 1). La fluidez de la membrana plasmática es necesaria para las actividades de ciertas enzimas y moléculas de transporte dentro de la membrana. Las membranas plasmáticas varían de 5 a 10 nm de espesor. Como comparación, los glóbulos rojos humanos, visibles a través de microscopía de luz, tienen aproximadamente 8 µm de espesor, o aproximadamente 1.000 veces más grueso que una membrana plasmática.

Figura 1. El modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana plasmática describe la membrana plasmática como una combinación fluida de fosfolípidos, colesterol, proteínas e hidratos de carbono.

La membrana plasmática se compone principalmente de una bicapa de fosfolípidos con proteínas incrustadas, carbohidratos, glicolípidos y glicoproteínas, y, en las células animales, colesterol. La cantidad de colesterol en las membranas plasmáticas animales regula la fluidez de la membrana y cambia en función de la temperatura del entorno de la célula. En otras palabras, el colesterol actúa como anticongelante en la membrana celular y es más abundante en animales que viven en climas fríos.

El tejido principal de la membrana se compone de dos capas de moléculas de fosfolípidos, y los extremos polares de estas moléculas (que parecen una colección de bolas en la interpretación del modelo por parte de un artista) (Figura 1) están en contacto con un fluido acuoso tanto dentro como fuera de la célula. Por lo tanto, ambas superficies de la membrana plasmática son hidrofílicas («amantes del agua»). En contraste, el interior de la membrana, entre sus dos superficies, es una región hidrofóbica (que odia el agua) o no polar debido a las colas de ácidos grasos. Esta región no tiene atracción por el agua u otras moléculas polares (discutiremos esto más adelante en la página siguiente).

Las proteínas constituyen el segundo componente químico principal de las membranas plasmáticas. Las proteínas integrales están incrustadas en la membrana plasmática y pueden abarcar toda o parte de la membrana. Las proteínas integrales pueden servir como canales o bombas para mover materiales dentro o fuera de la célula. Las proteínas periféricas se encuentran en las superficies exteriores o interiores de las membranas, unidas a proteínas integrales o a moléculas de fosfolípidos. Tanto las proteínas integrales como las periféricas pueden servir como enzimas, como aditamentos estructurales para las fibras del citoesqueleto o como parte de los sitios de reconocimiento celular.

Los carbohidratos son el tercer componente principal de las membranas plasmáticas. Siempre se encuentran en la superficie exterior de las células y se unen a proteínas (formando glicoproteínas) o a lípidos (formando glicolípidos). Estas cadenas de carbohidratos pueden consistir en 2-60 unidades de monosacáridos y pueden ser rectas o ramificadas. Junto con las proteínas periféricas, los carbohidratos forman sitios especializados en la superficie celular que permiten que las células se reconozcan entre sí.

Cómo los virus Infectan Órganos específicos

Figura 2. El VIH se acopla y se une al receptor CD4, una glicoproteína en la superficie de las células T, antes de entrar en la célula o infectarla. (crédito: modificación del trabajo de los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos/Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas)

Moléculas específicas de glicoproteína expuestas en la superficie de las membranas celulares de las células huésped son explotadas por muchos virus para infectar órganos específicos. Por ejemplo, el VIH es capaz de penetrar en las membranas plasmáticas de tipos específicos de glóbulos blancos llamados células T colaboradoras y monocitos, así como de algunas células del sistema nervioso central. El virus de la hepatitis ataca solo a las células hepáticas.

Estos virus son capaces de invadir estas células, porque las células tienen sitios de unión en sus superficies que los virus han explotado con glicoproteínas igualmente específicas en sus capas. (Figura 2). La célula es engañada por la imitación de las moléculas de la capa del virus, y el virus es capaz de entrar en la célula. Otros sitios de reconocimiento en la superficie del virus interactúan con el sistema inmunitario humano, lo que hace que el cuerpo produzca anticuerpos. Los anticuerpos se producen en respuesta a los antígenos (o proteínas asociadas con patógenos invasivos). Estos mismos sitios sirven como lugares para que los anticuerpos se adhieran y destruyan o inhiban la actividad del virus. Desafortunadamente, estos sitios sobre el VIH están codificados por genes que cambian rápidamente, lo que dificulta la producción de una vacuna eficaz contra el virus. La población de virus dentro de un individuo infectado evoluciona rápidamente a través de la mutación en diferentes poblaciones, o variantes, que se distinguen por las diferencias en estos sitios de reconocimiento. Este cambio rápido de los marcadores de superficie virales disminuye la eficacia del sistema inmunitario de la persona para atacar el virus, porque los anticuerpos no reconocerán las nuevas variaciones de los patrones de superficie.

Fosfolípidos

Como acabamos de aprender, el tejido principal de la membrana se compone de dos capas de moléculas de fosfolípidos. Las áreas hidrofílicas o «amantes del agua» de estas moléculas (que parecen una colección de bolas en la interpretación artística del modelo) (Figura 1) están en contacto con el fluido acuoso tanto dentro como fuera de la célula. Por lo tanto, ambas superficies de la membrana plasmática son hidrofílicas. En contraste, el interior de la membrana, entre sus dos superficies, es una región hidrofóbica o no polar debido a las colas de ácidos grasos. Esta región no tiene atracción por el agua u otras moléculas polares (discutiremos esto más adelante en la página siguiente).

Las moléculas hidrofóbicas, o que odian el agua, tienden a ser no polares. Interactúan con otras moléculas no polares en reacciones químicas, pero generalmente no interactúan con moléculas polares. Cuando se colocan en agua, las moléculas hidrofóbicas tienden a formar una bola o un racimo. Las regiones hidrofílicas de los fosfolípidos tienden a formar enlaces de hidrógeno con el agua y otras moléculas polares tanto en el exterior como en el interior de la célula. Por lo tanto, las superficies de membrana que se enfrentan al interior y al exterior de la célula son hidrófilas. Por el contrario, el interior de la membrana celular es hidrofóbico y no interactúa con el agua. Por lo tanto, los fosfolípidos forman una excelente membrana celular de dos capas que separa el líquido dentro de la célula del líquido fuera de la célula.

Figura 3. Esta molécula fosfolípida está compuesta por una cabeza hidrofílica y dos colas hidrofóbicas. El grupo cabeza hidrofílica consiste en un grupo que contiene fosfato unido a una molécula de glicerol. Las colas hidrofóbicas, cada una de las cuales contiene un ácido graso saturado o insaturado, son largas cadenas de hidrocarburos.

Una molécula de fosfolípidos (Figura 3) consiste en una estructura troncal de glicerol de tres carbonos con dos moléculas de ácidos grasos unidas a los carbonos 1 y 2, y un grupo que contiene fosfato unido al tercer carbono.

Esta disposición da a la molécula en general un área descrita como su cabeza (el grupo que contiene fosfato), que tiene un carácter polar o carga negativa, y un área llamada cola (los ácidos grasos), que no tiene carga. La cabeza puede formar enlaces de hidrógeno, pero la cola no. Una molécula con esta disposición de un área cargada positiva o negativamente y un área no cargada, o no polar, se conoce como anfifílica o «amante dual».»

Esta característica es vital para la estructura de una membrana plasmática porque, en el agua, los fosfolípidos tienden a arreglarse con sus colas hidrófobas enfrentadas y sus cabezas hidrófilas hacia afuera. De esta manera, forman una bicapa lipídica, una barrera compuesta por una doble capa de fosfolípidos que separa el agua y otros materiales en un lado de la barrera del agua y otros materiales en el otro lado. De hecho, los fosfolípidos calentados en una solución acuosa tienden a formar espontáneamente pequeñas esferas o gotitas (llamadas micelas o liposomas), con sus cabezas hidrofílicas formando el exterior y sus colas hidrofóbicas en el interior (Figura 4).

Figura 4. En una solución acuosa, los fosfolípidos tienden a organizarse con sus cabezas polares hacia afuera y sus colas hidrófobas hacia adentro. (crédito: modificación de la obra de Mariana Ruiz Villareal)

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